Test Düzeneğinin Termal Analizleri

TES modüle uygulanan voltaj değeri arttıkça yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı artmaktadır. Test ortamındaki ısı transferi yapan test elemanların, ısı transferleri analiz edilerek termal denge senaryoları için hesaplanan miktardaki ısının transfer edilebilmesi gerekmektedir. TES modülün toplam ısıl yükü arttıkça yüzeyler arasında elde edebileceği ∆T sıcaklığı azalır. Bu ısıl yük arttıkça yani Joule ısısı Peltier ısısına eşit olduğu durumdaki ısıl yükte sıcaklık farkı elde edilemez, ∆T=0 ve Q̇_c=Q̇_cmax olmaktadır.

TES modül, ∆T=∆T_max sıcaklığında I=I_maxakımını üretmektedir. I_max akımı,

∆T_max’ın üretildiği akım değeridir. I_max ve V_max aynı andaki çalışma noktasında okunur. Uygulanan akım I_max değerini geçtiği durumlarda Joule ısısı, Peltier ısısının üzerine çıktığı için üretilen ısı sebebiyle soğuk yüzey sıcaklığı artar daha düşük ∆T değeri elde edilir. Uygulanan akım, I_max değerinden daha düşük ise Peltier ısısı sebebiyle ∆T_max değerinden daha düşük sıcaklık değeri elde edilir. TES modülün soğutma yükü; Q̇_c değeri sıfır olduğunda elde edilen ∆T değeri ∆T_max‘dır. ∆T_max değeri aynı zamanda sıcak yüzeyin sıcaklığına da bağlıdır (Şekil 4.6).

Şekil 4.6:Q̇cmax ve ΔТmax değerlerinin limit değer altında gösterimi

63

TES modül çalışması esnasında peltier etkisi ile ısı soğuk taraftan sıcak tarafa pompalanır. Bu ısı hem soğu taraftan çekilen ısı hem de modül içerisinde üretilen ısıyı içermektedir. Test düzeneğinde I_maxakımı altındaki Q̇_cmax değeri eldesi için TES modülün T_c sıcaklığının okunacağı yüzeye harici ısıl yük kaynağı ile ısıl yük uygulanması gerekmektedir. Harici ısıl yükün TES modüle aktardığı ısı enerjisi miktarı, Q̇_heat= Q̇_cmax olmaktadır. Bu işlem esnasında harici ısıl yükün açığa çıkarttığı ısı TES modül üzerinden soğutucu bloğa iletilirken de TES modülde ekstra ısıl direnci meydana gelmektedir. Ölçüm esnasında TES modülün sıcak yüzey sıcaklığı sabit tutulmaktadır. Soğutucu bloğun soğutma kapasitesi, ısı birikmesinden kaynaklanacak sıcaklık artışlarının önüne geçmek için ısı geçişini rahatlıkla karşılayacak şekilde tasarlanacaktır.

Test edilecek TES modül herhangi bir ölçüde ve özelliklerde olabileceği gibi test için P&N marka yüksek performans serili HP-161060 TES modülü seçilmiştir.

Test P&N modülü için üretici firma tarafından paylaşılan veriler ve modülün çıkış parametreleri Tablo:4.4’de gibidir.

Tablo 4.4: p&n marka tes modül çıkış parametreleri

TES1-127025 Çıkış Parametreleri

T_h 25 ℃ 50 ℃

∆T_max 67 ℃ 75 ℃

V_max 15.4 V 16.4 V

I_max 2.5 A 2.5 A

Q̇_cmax 21.4 W 23.6 W R TES Modül 5.38  6.07  Tolerans

yüzdesi

% ± 10 % ± 10

Ölçüm düzeneğinde kullanılacak harici ısıtıcı, test edilecek TES modülün Q̇_cmax değerinden fazla olacak şekilde 100W seçilmiştir. Bunun sebebi harici ısıtıcının ısı kayıpları karşılamak ve ısıtıcıyı daha düşük kapasitedeki voltajla kontrol edebilmektir. 40x40 mm ölçüleri için 100W’lık ısıtma Harici ısıtıcı Jiangyin firmasına ait, HL-00580(KQ)-E-0 seri numaralı ürünüdür. Teknik özellikler Ek-1’deki ve Tablo 4.5’deki gibidir.

64

Tablo 4.5: Harici ısıtıcı HL-00580(KQ)-E-0 teknik özellikler HL-00580(KQ)-E-0 Teknik Özellikler

Malzeme Mika Isıtıcı görseli

Ölçüler 40x40x1 mm Efektif

Isıtma Alanı

16 cm²

Isıtıcı İç

Direnci 7.82 ~ 7.88  Isıtma

Kapsitesi

P(Watt)=V²/R 28²/7.82 ≅

100W Watt

Yoğunluğu

100/16=6.25 W/ cm² Dielektrik

Direnci ≥ 100 M

Dielektrik Dayanımı

1500V/dk

TES modülün soğuk yüzeyine uygulanacak harici ısıl yük ısısının (Q̇_heater) modüle transfer olan miktarını maksimum tutmak için ısı kayıplarını etkileyen faktörler minimize edilmek istenmiştir. Harici ısıl yükün ürettiği ısının iletim ile test TES modüle olanı Q̇heatiletim, taşınım ile kapak hacmine olanı Q̇heattaşınım, üzerinden tüm hacme ışınım ile olan ısı transferi de Q̇heatışınım, olarak gösterilmiştir.

Harici ısıl yükün transfer ettiği ısının test TES modül üzerine aktarılması ve soğutma sistemi aracılığı ile ısının çekebilmesi için harici ısıl yük üzerine yapılan teflon yalıtım malzemesi konulmaktadır. Isı iletim direnci düşük olan yalıtım malzemesi, ısıl yükün meydana getirdiği ısının büyük ölçüde modüle aktarılması için ısı iletim yönünü TES modüle doğru çevirecektir. Isı iletim katsayısı teflon

65

malzemeden daha düşük olan yalıtım malzemesinin seçilmeme sebebi, ısı transferi halindeki parçaların birbirleri ile fikstürlenme işinin yalıtım parçası aracılığı ile yapılmasındandır. Gerekli yalıtım kalınlığı en üst seviyede hesaplanmıştır. Yalıtımın sıcaklığının ölçülerek harici ısıtıcıdan transfer olan ısı miktarı testler esnasında formüllere eklenecektir. Yalıtımın üzerine “K tipi” termokupl konularak yalıtım çıkış yüzey sıcaklığı ölçülecektir. Sıcaklık farklarına göre yalıtım kaçağı olan transfer edilmiş ısı miktarı hesaplanıp harici ısıl yükün transfer ettiği ısıdan çıkartılarak TES modüle aktarılan (Q̇_heat) ısı miktarı hesaplanacaktır.

Bu yalıtım kalınlığına uygun “A-208” parça numarası olan üst fikstür modelenerek üretilmiştir. İçerisinde harici ısıl yük oluşturacak “HK5956P” tipli ısıtıcı yer almaktadır. TES modül test edileceği zaman yine aynı malzemeden oluşan “A-207” parça numaralı alt fikstür parçası üzerine konulmaktadır ve üzerine üst fikstür parçası civatalanarak monte edilmektedir. Test bitiminde civata açılarak TES test modül değiştirilebilmektedir.

Taşınım ile ısı transferini engelemek adına yapılan ortam havasının vakumlama işlemi yazılım ile kontrol edilen vakum kompresörü ile yapılmaktadır. Vakum ortamı basıncı 0.2 bar gösterge basıncına kadar vakumlanabilmektedir. Bu basınç altında taşınım ile ısı transferi ihmal edilecek seviyede olmaktadır (Paul 1999).

Harici ısıl yükün ürettiği ısının TES modüle aktarılamayan kısmı, yalıtıma transfer olup yalıtım üzerinden daha soğuk yüzeylere ışınımla transfer olmaktadır. Test işleminde ölçülen yalıtımın sıcaklığı ile vakum haznesi kapağı sıcaklığı arasında ısı transferinde tesir yaratabilecek düzeyde ısı geçişi olmadığından ışınım ile ısı transferi ihmal edilmiştir. Böylece harici ısıl yükün ürettiği ısının tamamının iletim ile transfer olduğu kabul edilmektedir (Şekil 4.7).

66

Şekil 4.7:Harici ısıl yükün ısı transferinin hesaplanması görseli

Hesaplamalarda yapılan kabuller:

1-) Bir boyutlu iletim.

2-) Isı taşınım katsayısı sabit.

3-) Sürekli rejim.

4-) Işınımla ve taşınımla olan ısı transferi ihmal edilmiştir.

5-) Temas ısıl direnci ihmal edilmiştir.

Yapılan hesaplamada turuncu renkte taranmış harici ısıl yükün ürettiği ısının yalıtım cismine (A208-Üst Fikstür) ve TES modüle geçen ısı transferi miktarı hesaplanmıştır. Yalıtım cisminden, alt yalıtım cismine (A207-Alt Fikstür ) olan iletim ile ısı transferi ve cıvatalara geçen ısı transferi ihmal edilmiştir. Yalıtım malzemesi PTFE telfon olup kalınlığı Lyal: 45 mm, kesit alanı Ayal: 0,0008 m², ısı iletimi katsayısı kyal: 0,25 W/mK’dir. İçinde ısı üretimi olan harici ısıtıcı levhası, ısı iletimi katsayısı kheater: 0,75 W/mK olan 1 mm kalınlıktaki mika malzemesinden kaplanmıştır. Harici ısıtıcıda üretilen ısı miktarı, yalıtım cismine ve TES modüle iletilmektedir. Yalıtım cisminden geçen ısı akısı Eşitlik 4.1’deki gibidir.

67 _yal ^{h,heater yal}

yal yal

T - T

q =

L k

(4.1)

Burada; Th,heater ve Tyal sıcaklıkları deney düzeneğinden ölçülerek hesaplanmaktadır. Eşitlik 4.1’deki ısı iletim katsayısı ve levha kalınlığınca düzenlenirse eşitlik 4.2’deki gibi olmaktadır.

_yal T^h,heater T^yal T^h,heater T^yal

q 0, 045 0,18

0, 25

− −

= = (4.2)

Yalıtım cisminden geçen ısı akısı q_yal, sıcaklık sensörlerinden gelen verilerle yazılım tarafından bulunmaktadır. Yalıtım cismine olan ısı geçişi eşitlik 4.4’deki gibidir.

_{yal yal yal} T^h,heater T^yal _yal T^h,heater T^yal

Q q .A .(A ) .(0, 0008)

0,18 0,18

− −

= = = (4.3)

Q_yal=(T_h,heater−T ).0, 044_yal (4.4)

Harici ısıtıcının mika kaplama malzeme içerisindeki rezistanslarının yerleşimi yayılı (homojen) olup ısı üretimi; elektrik akımının geçmesi ile açığa çıkan ısı enerjisi kadardır. Ohm kanununa göre üretilen ısı enerjisi (Q̇heater), uygulanan gerilimin (Vheater) karesi ile ısıtıcı iç direncinin çarpımı kadar olmaktadır. Kullanılan mika kaplı harici ısıtıcının iç elektriksel direnci 7,82 ’dur (Tablo 4.5) Isıtıcının elektriksel iç direnci ayrıca Fluke multimetre ile de kontrol edilmiştir. Harici ısıtıcının ısısı (Q̇heater) Eşitlik 4.5’deki gibidir.

Q_heater =V / R² =V_heater²/ 7,82 (4.5) TES modüle transfer olan ısı (Q̇heat); harici ısıtıcının ürettiği ısı enerjisinin (Q̇heater), yalıtım cismine iletilen (Q̇yal) ısı enerjisiyle farkına eşittir.

Q_heat =Q_heater−Q_yal (4.6)

68

Şekil 4.8:Soğutucu blok teknik resmi görseli

Q̇heater ısısının ve TEC modülden gelen Q̇h ısının karşılanması adına Şekil 4.8’deki soğutucu blok tasarlanmıştır. Soğutucu blok tasarımında soğutma suyunu geniş hacimlerde dolaştırarak suya olan ısı transferinin etkinliğini artırmak ve kalınlığın düşük tutularak gereksiz iletim direnci yaratılmasını engellemeye yönelik tasarım yapılıp Alüminyum malzemeden üretilmiştir. Termokupl deliğine eşdeğer iletim katsayısına sahip termal macun doldurularak termokupl yerleştirilmiştir (Şekil 4.8).

Ölçüm düzeneği, bu hesaplar çerçevesindeki kabullere dayanarak tasarlanmıştır. Ölçüm düzeneği tasarımında sistemin modüler olması istenmektedir.

Bu sayede müdahale imkanı olmakta ve ölçüm fonksiyonları daha rahat yönetilmektedir. Ölçüm düzeneği bu tasarım ilkelerine dayanarak bilgisayar destekli çizim programı ile modellenmiştir. Bilgisayar destekli tasarım, grup kodlaması şeklinde yedi farklı bölümden oluşmaktadır.

69